用于汽車電子保護的TVS
目錄
一.TVS的重要參數(shù)
①功率等級
②擊穿電壓VBR
③鉗位電壓VC
④關態(tài)電壓VR
⑤ 5.0SMD36A與市場上主流產(chǎn)品參數(shù)對比
二.車載電源的初級保護（拋負載）
①什么是拋負載
②拋負載測試的標準
③器件在12V系統(tǒng)中拋負載測試
④器件在24V系統(tǒng)中拋負載測試
⑤器件可靠性測試
三.車載電源線的次級保護
一. TVS的重要參數(shù)
汽車設計中的一個主要挑戰(zhàn)是保護汽車電子設備（如控制單元、傳感器及娛樂系統(tǒng)等）免受破壞性的浪涌、電壓瞬變、ESD及電源線噪聲的損害。使用瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）是保護汽車電子設備的理想解決方案。接下來，我們將討論TVS器件的關鍵參數(shù)——功率等級、關態(tài)電壓和最大擊穿電壓。
①功率等級：
TVS的功率等級是在特定的測試或應用條件下的浪涌吸收能力。TVS產(chǎn)品使用業(yè)內(nèi)標準的10/1000 μs脈沖波形(Bellcore 1089標準)做為測試條件，如圖1所示。這個測試條件不同于浪涌測試的8/20
μs脈沖波形，如圖2所示。
圖1：10/1000 μs 圖2：8/20 μs
一. TVS的重要參數(shù)
②擊穿電壓VBR
擊穿電壓是是器件進入雪崩擊穿的電壓，根據(jù)數(shù)據(jù)表中指定的電流進行測試。
③鉗位電壓VC
在指定的峰值脈沖電流等級下，出現(xiàn)在TVS上的箝位電壓等級。TVS的擊穿電壓是在非常低的電流下測得
的，如1mA或10mA, 與應用條件中實際的雪崩電壓是不同的。因此，半導體制造商會指明在大電流條件下的典型或最大擊穿電壓。
④關態(tài)電壓VR
關態(tài)電壓是指TVS未被擊穿時的最大電壓，是電路中不在通常條件下工作的保護器件的重要參數(shù)。在汽車應用中，一些汽車電 子產(chǎn)品的調(diào)節(jié)是由“階躍保護 ”實現(xiàn)的。這種測試條件是在10 分鐘內(nèi)，向12V的電子設備提供24 VDC 的電壓，向24V電壓的電子設備提供36 VDC 的電壓，而不造成損壞或電路的故障。因此，
對汽車電子產(chǎn)品來說，關態(tài)電壓是TVS器件的一個關鍵參數(shù)。
一.TVS的重要參數(shù)
⑤5.0SMD36A與市場上主流產(chǎn)品參數(shù)對比
| 品牌 |
Part number |
VR |
VBR MIN |
VBR MAX |
IR | IPP | VC |
| 5.0SMDJ36A | 36V | 40 | 44.2 | 2 μA | 86.1 | 58.1 | |
| 國內(nèi)某品牌 | 5.0SMDJ36A | 36V | 40 | 44.2 | 2 μA | 86.1 | 58.1 |
| 國外某品牌 | 5KASMC36A | 36V | 40 | 44.2 | 2 μA | 86.1 | 58.1 |
目前國內(nèi)外主流品牌的TVS在25 ℃時的參數(shù)大同小異，基本上沒有差別，關鍵是抗長時間浪涌的能力和其他環(huán)境條件下的表現(xiàn)。
二.車載電源的初級保護
①什么是拋負載
汽車電子產(chǎn)品，如電子控制單元，傳感器和娛樂系統(tǒng)是接到一個電源上的。這些電子產(chǎn)品的電源是電池或發(fā)電機，由于受到溫度、工況和其他條件的影響，電池或發(fā)電機的輸出電壓不穩(wěn)定。
此外，使用燃油噴射、閥、電機、電和水解控制器等電磁負載的汽車系統(tǒng)會把ESD、尖峰噪聲和幾種瞬態(tài)和浪涌電壓引入到電源和信號線中。
拋負載的定義：
當引擎正在運轉(zhuǎn)，發(fā)電機正向汽車的電源線輸送電流時，如果電池突然斷開，就會產(chǎn)生最嚴重的浪涌電流。這種情況也被稱為“拋負載 ”，大多數(shù)汽車制造商和行業(yè)組織都規(guī)定了在這種拋負載情況下的最大電壓、線路阻抗和持續(xù)時間
二.車載電源的初級保護
②拋負載的測試的標準
兩個知名的試驗模擬了這種條件：美國的ISO-7637-2 Pulse 5，和日本針對14V傳動系統(tǒng)的JASO A-1及針對27V傳動系的JASO D-1。而我國的GBT21437.2就是以ISO-7637-2為參考，在此我們就以ISO-7637-2為標準測試。
ISO-7637-2道路車輛來自傳導和耦合的電氣騷擾--第2部分：僅沿供電源線路的瞬時電傳導
本標準規(guī)定了安裝于乘用車及12V 電氣系統(tǒng)的輕型商用車或24V 電氣系統(tǒng)的商用車上的設備的傳導電瞬態(tài)電磁兼容性測試的臺架試驗，包括瞬態(tài)注入和測量。本標準還規(guī)定了瞬態(tài)抗擾性失效模式嚴重程度分類。本標準適用于各種獨立的動力系統(tǒng)（例如火花塞點火發(fā)動機或柴油發(fā)動機，或電機）的道路車輛。
而脈沖5a 和5b模擬拋負載瞬態(tài)現(xiàn)象。即模擬在斷開電池（虧電狀態(tài)）的同時，交流發(fā)電機正在產(chǎn)生充電電流，而發(fā)電機電路上仍有其它負載時產(chǎn)生的瞬態(tài)；拋負載的幅度取決于斷開電池連接時，發(fā)電機的轉(zhuǎn)速和發(fā)電機的勵磁場強的大小。拋負載脈沖寬度主要取決于勵磁電路的時間常數(shù)和脈沖幅度。大多數(shù)新型交流發(fā)電機內(nèi)部，拋負載幅度由于增加限幅二極管而受到抑制（箝位）。
拋負載可能產(chǎn)生的原因是：因電纜腐蝕、接觸不良或發(fā)動機正在運轉(zhuǎn)時，有意斷開與電池的連接。（如保險絲熔斷、修理時認為斷開蓄電池等）
二.車載電源的初級保護
ISO-7637-25a波形
l
| 參數(shù) | 12V系統(tǒng) | 24V系統(tǒng) |
| Us | 65V~ 87V | 123V~ 174V |
| Ri | 0.5 Ω~4 Ω | 1 Ω~8 Ω |
| td | 40ms~400 ms | 100ms~350 ms |
| tr | (10 +0/-5 )ms | |
拋負載TVS的峰值箝位電流可以用下面的公式來估算：計算峰值箝位電流： IPP = (VIN - VC) / Ri
IPP: 峰值箝位電流
VIN: 輸入電壓
VC: 箝位電壓
Ri: 線路阻抗
二.車載電源的初級保護
③器件在12V系統(tǒng)中拋負載測試
測試設備實際波形（87V400ms）
二.車載電源的初級保護
5.0SMD36A和國內(nèi)某品牌在ISO-7637-2 測試中（87V VS，4ΩRi及400 ms脈沖寬度）電壓波形。
國內(nèi)某品牌A
5.0SMD36A可以滿足87V VS，4ΩRi及400 ms脈沖寬度10次（正常要求1-5次）的浪涌沖擊，殘壓53V左右；
國內(nèi)某品牌A也可以滿足87V VS，4ΩRi及400 ms脈沖寬度浪涌沖擊，殘壓54V左右，屬于正常范圍。
國內(nèi)某品牌B不能滿足87V VS，4ΩRi及400 ms脈沖寬度浪涌沖擊，在測試過程中一次或者兩次就擊穿
|
Part number |
Marking | VR |
VBR MIN |
VBR MAX |
IR | IPP | VC |
| 5.0SMD36A | 5PFP | 36 | 40 | 44.2 | 2 | 86.1 | 58.1 |
二.車載電源的初級保護
SM8S33A在ISO-7637-2 測試中（87V VS，2ΩRi及400 ms脈沖寬度）的電壓波形。
SM8S33A可以滿足87V VS，2ΩRi及400 ms脈沖寬度10次的浪涌沖擊（一般打1-5次).
|
Part number |
VR |
VBR MIN |
VBR MAX |
IR | IPP | VC |
| SM8S33A | 33 | 36.7 | 40.6 | 10 | 102 | 64.7 |
二.車載電源的初級保護
8KP30CA, 8KP33CA,8KP36CA在ISO-7637-2 測試中（87V VS，1ΩRi及400 ms脈沖寬度）的電壓波形
8KP30CA
8KP33CA
8KP36CA
8KP30CA, 8KP33CA,8KP36CA可以滿足87V VS，1ΩRi及400 ms脈沖寬度10次的浪涌沖擊（一般打1-5次).
|
Part number |
VR |
VBR MIN |
VBR MAX |
IR | IPP | VC |
| 8KP30CA | 30 | 33.3 | 36.9 | 2 | 165.2 | 48.4 |
| 8KP33CA | 33 | 37.7 | 40.6 | 2 | 142.1 | 56.3 |
| 8KP36CA | 36 | 40.0 | 44.2 | 2 | 137.6 | 58.1 |
二.車載電源的初級保護
15KP30A在ISO-7637-2 測試中（87V VS，0.5ΩRi及400 ms脈沖寬度）的電壓波形
15KP30A可以滿足87V VS，0.5ΩRi及400 ms脈沖寬度10次的浪涌沖擊（一般打1-5次).
|
Part number |
VR |
VBR MIN |
VBR MAX |
IR | IPP | VC |
| 15KPA30A | 30 | 33.3 | 36.9 | 2 | 297.8 | 50.7 |
二.車載電源的初級保護
③ 器件在24V系統(tǒng)中拋負載測試參數(shù)設置
實際波形（174V350ms）
二.車載電源的初級保護
SM8S33A在ISO-7637-2 測試中（174V VS，4ΩRi及350 ms脈沖寬度）的電壓波形。
SM8S33A可以滿足174V VS，4ΩRi及350 ms脈沖寬度10次的浪涌沖擊（一般打1-5次).
|
Part number |
VR |
VBR MIN |
VBR MAX |
IR | IPP | VC |
| SM8S33A | 33 | 36.7 | 40.6 | 10 | 102 | 64.7 |
二.車載電源的初級保護
8KP36CA在ISO-7637-2 測試中（174V VS，4ΩRi及350 ms脈沖寬度） 的15KP30A的電壓波形
8KP36CA可以滿足174V VS，4ΩRi及350 ms脈沖寬度10次的浪涌沖擊（一般打1-5次).
|
Part number |
VR |
VBR MIN |
VBR MAX |
IR | IPP | VC |
| 8KP36CA | 36 | 40.0 | 44.2 | 2 | 137.6 | 58.1 |
二.車載電源的初級保護
⑤5.0SMDJ36A可靠性測試
| 產(chǎn)品名稱 | 5.0SMDJ36A | 封裝類型 | SMC | |||
| 芯片尺寸 | 160mils | 工藝 | GPP | |||
| 測試條件 | VBR:40-44.2V@20mA IR<2 μA@VR=36V | |||||
| 序號 | 實驗項目 | 實驗條件 | 實驗周期或時間 | 抽樣數(shù) | 結果 | |
| 1 |
高溫直流反偏 HTRB |
Ta= 125 ℃ VR= 24 V |
168 HRS |
10 | 見下頁 | |
| 2 | 穩(wěn)態(tài)工作壽命OP-LIFE |
Ta = 25℃ Io = IF |
168 HRS |
10 | OK | |
| 3 | 浪涌電流PIF |
IFSM = 300 A 8.3ms single half sine wave |
1 CYCLE |
10 | OK | |
| 4 |
間歇工作壽命 PTF |
ON = 5 min with rate Io, OFF = 5 min with cool forced air |
1000 CYCLES |
10 | OK | |
| 5 |
壓力鍋 PCT |
Ta = 121℃；P = 29.7psia or 205kpa or 2.088kg/cm2 @humidity=100% |
24 HRS |
10 | OK | |
| 6 |
溫度循環(huán) T C |
TH = 150 +3/-0℃ , 15 min； TL = -55 +0/-3℃ , 15 min。 |
10 CYCLES |
10 | OK | |
| 7 | 高溫貯存 HT Storage | Ta = 150±5 ℃ |
168 HRS |
10 | OK | |
| 8 |
耐焊接熱 Soldering Heat |
Ta = 260±5 ℃ , |
10 sec |
10 | OK | |
| 9 |
高溫漏電流 HT-IR |
Ta = 100 ±5℃ 100%VR |
— | 0 | ||
| 10 |
可焊性 Solderability |
Ta =245±5 ℃ |
10 sec |
10 | OK | |
二.車載電源的初級保護
5.0SMDJ36A可靠性測試（高溫反偏HTRB測試結果）
| 產(chǎn)品名稱 | 5.0SMDJ36A | 實驗項目 | HTRB | |||||
| 實驗條件 | Ta=125 ℃ | VR= 36 V | 實驗周期 | 168HRS | ||||
| 編號 | VBR:40-44.2V@1mA | IR<2 μA@VR=36V | ||||||
| Initial | Final | Shift | Initial | Final | Shift | |||
| 1 | 41.960 | 41.965 | 0.01% | 1.007 | 1.008 | 0.07% | ||
| 2 | 41.503 | 41.516 | 0.03% | 1.027 | 1.026 | -0.09% | ||
| 3 | 42.091 | 42.104 | 0.03% | 0.911 | 0.910 | -0.09% | ||
| 4 | 41.697 | 41.701 | 0.01% | 1.016 | 1.016 | -0.04% | ||
| 5 | 41.880 | 41.885 | 0.01% | 0.808 | 0.807 | -0.12% | ||
| 6 | 41.962 | 41.972 | 0.02% | 0.909 | 0.908 | -0.04% | ||
| 7 | 42.130 | 42.125 | -0.01% | 1.008 | 1.008 | 0.04% | ||
| 8 | 42.704 | 42.704 | 0.00% | 1.009 | 1.007 | -0.17% | ||
| 9 | 42.338 | 42.347 | 0.02% | 1.112 | 1.105 | -0.67% | ||
| 10 | 41.779 | 41.779 | 0.00% | 0.908 | 0.907 | -0.12% | ||
| 實驗結論： | 失效數(shù)：0， | 判定合格 | ||||||
二.車載電源的初級保護
5.0SMDJ36A可靠性測試所使用的一些設備
三.載電源線的次級保護
汽車系統(tǒng)中保護電路的首要目標是高浪涌電壓，但箝位電壓也很高。在卡車和小貨車的24V動力系中，次級保護尤其重要。其主要原因是，用于汽車應用的多數(shù)穩(wěn)壓器和DC-DC轉(zhuǎn)換器IC的最大輸入電壓是45 V～60 V。對于此類應用，建議使用次級保護，如下圖所示
初級保護 次級保護
+
R
限流器
負
載
| 電源線 |
在電源線上加入電阻R，可以減小瞬態(tài)電流，這樣可以在次級保護中使用功率等級更小的TVS。電子單元中的微處理器和邏輯電路需要150 mA～300mA的電流, 在- 18 °C 溫度下，12V電池的最小輸出電壓是 7.2 V，24V電池在同樣條件下的最小輸出電壓是14.4V。在上述條件下的24V電池中，在R = 20Ω和
300mA負載時的供電電壓是8.4V，在R = 10 Ω和電池最小電壓為14.4 V（在- 18 °C溫度下24V電池的電壓）時的供電電壓是11.4V。
VL = (Vmin / (Vmin / IL)) × ((Vmin / IL) - R)
VL: 加到負載上的電壓 Vmin: 最小輸入電壓 IL: 負載電流 R: 電阻值 R的功率等級 = I2R這個供電電壓要高于大多數(shù)穩(wěn)壓器和DC/DC轉(zhuǎn)換器IC的最小輸入電壓。
4
審核編輯 黃宇
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